Linux——互斥锁与条件变量（二）

3、对比上锁与等待

在上述的生产者-消费者问题中，咱们在实现同步的时候还能够用如下的方法来实现，这里只是说明与上述实现中的不一样之处。

一、首先，说明一下此版本中的相关特征：

在此版本中，消费者线程在生产者线程建立完毕后立刻就建立，而不是等待全部生产者线程完成而终止后再建立。

二、再则，如何来实现：

A、Set_concurrency(..)中参量并发线程从nthreads变为nthreads+1；

B、同时，为了实现同步，咱们必须设置一个consume_wait(int i)函数，其实现的功能是检测到对应i的pthread_mutex_unlock后，便启动consume对应的i判断部分。这里将这两个函数源代码实现呈现以下：

void consume_wait(int i){
    for(;;){
        pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
        if(i < nput){
            pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
            return ;
        }
        pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
    } 
}
 
void *consume(void *arg){
    int i;
    for(i=0;i<nitems;i++){
        consume_wait(i);
        if(shared.buff[i] != i)
            printf("buff[%d] = %d\n",i,shared.buff[i]);
    }
    return NULL;
}

这里，特别说明一些关于consume_wait(int i)的实现及具体运行方式：

首先，当临界区出于未上锁时，consume_wait便调用pthread_mutex_lock(..)来上锁互斥锁，得到对临界区的全部权，这时，判断i<nput条件是否成立，以判断生产者线程是否产生了第i个条目。若是检测到以后，即可返回以通告consume能够处理第i个条目，同时解锁互斥锁。

而后，若第i个条目未产生，这时，函数便一直循环，每次给互斥锁上锁又解锁，这样称为“轮询(polling)”，这对CPU是一种浪费，但着实能够实现同步问题。

4、条件变量(Condition)：等待与信号发送

互斥锁用于上锁，条件变量用于等待。这两种不一样类型的同步都是须要的。

       条件变量是类型为pthread_cond_t的变量，如下两个函数使用了这些变量：

#include<pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);
均返回：若成功则为0，若出错则为正的Exxx值

其中第二个函数的名字中的“signal”一词指的不是Unix_SIGxxx信号。

这两个函数所等待或由之得以通知的“条件”，其定义由咱们选择：咱们在代码中测试这种条件。

每一个条件变量老是有一个互斥锁与之关联。咱们调用pthread_cond_wait等待某个条件为真时，还会指定其条件变量的地址和所关联的互斥锁的地址。

咱们利用条件变量和互斥锁从新设计生产者-消费者同步问题，其改变以下：

全局变量声明：

#include "unpipc.h"
 
#define MAXNITEMS 1000000
#define MAXNTHREADS 100
 
int nitems;
int buff[MAXITEMS];
 
struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    int nput;
    int nval;
}put ={PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER};
 
struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    int nready;
}nready={PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，PTHREAD_COND_INITIALIZER};

把生产者变量和互斥锁收集到一个结构中；

把计数器、条件变量和互斥锁收集到一个结构中，nready指的是对消费者已准备好的线程数；

main函数同上锁与等待时的main函数；

Produce和consume函数：

void *produce(void *arg){
    for(;;){
        pthread_mutex__lock(&put.mutex);
        if(put.nput >= nitems){
            pthread_mutex_unlock(&put.mutex);
            return NULL;
        }
        buff[put.nput]=put.nval;
        put.nput++;
        put.nval++;
        pthread_mutex_unlock(&put.mutex);
        pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
        if(nready.nready == 0){
            pthread_cond_signal(&nready.cond);
        }
        nready.nready++;
        pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
    }
}
 
void *consume(void *arg){
    int i;
    for(i=0;i<nitems;i++){
        pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
        while(nready.nready == 0)
            pthread_cond_wait(&nready.cond,&nready.mutex);
        nready.nready--;
        pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
        if(buff[i]!=i){
        printf("buff[%d]=%d\n",i,buff[i]);
        }
    }
    return NULL;
}

这里的分析很重要：

Produce函数中的for语句部分前半部分实现的是：当生产者往数组buff中放置一个新条目时，咱们改用put.mutex来为临界区上锁。

For语句后半部分实现的是通知消费者，给用来统计由消费者处理的条目数的计数器nready.nready加1。在加1以前，若是该计数器的值为0，就调用pthread_cond_signal唤醒可能正等待其值变为非零的任意线程（如消费者）。如今能够看出与该计数器关联的互斥锁和条件变量的相互做用。该计数器在生产者和消费者之间共享，所以，只有锁住与之关联的互斥锁(nready.mutex)时才能访问它。与之关联的条件变量则用于等待和发送信号。

对于消费者，消费者只是等待计数器nready.nready变为非零。既然该计数器是在全部的生产者和消费者之间共享的，那么只有锁住与之关联的互斥锁(nready.mutex)时才能测试它的值。若是在锁住该互斥锁期间该计数器的值为0，咱们就调用pthread_cond_wait进入睡眠。该函数原子地执行如下两个动做：

A、给互斥锁nready.mutex解锁；

B、把调用线程投入睡眠，直到另外某个线程就本条件变量调用pthread_cond_signal。同时，pthread_cond_wait在返回前从新给互斥锁nready.mutex上锁。

5、条件变量：定时等待和广播

一般pthread_cond_signal只唤醒等待在相应条件变量上的一个线程。在某些状况下，一个线程认定有多个其余线程应被唤醒，这时它能够调用pthread_cond_broadcast唤醒阻塞在相应条件变量上的全部线程。

#include<pthread.h>
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cptr);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cptr,pthread_mutex_t *mptr,const struct timespc *abstime);

对于pthread_cond_timewait(...)，其容许线程就阻塞时间设置一个限制值。Abstime参数是一个timespec结构体，该结构体指定这个函数必须返回的时间，即使当时相应的条件变量还没收到信号，若是发生这种超时状况，该函数返回ETIMEDOUT错误。该时间值是绝对时间。而不是时间差。

6、互斥锁和条件变量的属性

在前面的互斥锁和条件变量的讲解中，咱们用两个常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER和PTHREAD_COND_INITIALIZER来初始化它们。有这种方式初始化的互斥锁和条件变量具有默认属性，不过咱们还能以非默认属性来初始化它们。

#include<pthread.h>
 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mptr,const pthread_mutex_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mptr);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cptr,const pthread_cond_condattr_t *attr);
int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *cptr);